Kỹ thuật đo lường điện - Chương 2

Môn học kỹ thuật đo lường trình bày các kiến thức về kỹ thuật đo dùng trong ngành điện hiện nay. Giới thiệu những phép đo cơ bản để ứng dụng cho các ngành sản xuất công nghiệp. Kỹ thuật Đo l

Chương 2 CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ 2.1 Cơ cấu chỉ thị cơ điện

a) Nguyên lý làm việc của các chỉ thị cơ điện

Khi cho dòng điện vào một cơ cấu chỉ thị cơ điện, do tác động của từ

mômen này tỉ lệ với độ lớn của dòng điện đưa vào cơ cấu chỉ thị (ứng với

động quay lò xo sẽ bị xoắn lại va

mômen này tỉ lệ thuận với góc lệch

 như sau:

Mc = D  (2.2)

Trong đó: D – Mômen cản

riêng Phụ thuộc vào kích thước và

vật liệu chế tạo lò xo (dây treo)

Dưới tác động đồng thời của hai mômen quay và cản phần động của cơcấu đo sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng (hai mômen này ngược dấu nhau)

Ta được:

 d

dWe

= D

 d

dW D

mômen ma sát, mômen cản dịu, mômen động lượng Các mômen này sẽ đượctính đến khi người ta tiến hành khắc độ thang đo.

- Mômen cản dịu:

Trong quá trình đo, do quán tính phần động không dừng lại tại vị trícân bằng mà dao động chung quanh vị trí cân bằng, gây trở ngại cho việc đọckết quả đo

Để rút ngắn thời gian dao đôọng nhằm xác lập vị trí cân bằng đượcnhanh chóng, trong cơ cấu chỉ thị có thêm bộ phận cản dịu để tạo ra mômen

có chiều ngược với chiều chuyển động của phần động, gọi là mômen cản dịu:

dt

d

nên cóquan hệ sau:

Tùy thuộc vào phương trình đặc tính thang đo (2.3) mà thang đo có thể

là tuyến tính hoặc phi tuyến

b) Cấu tạo các bộ phận chung

Đối với phần lớn các cơ cấu chỉ thị cơ điện, tuy về nguyên lý có khácnhau nhưng vẫn có thể chỉ ra các chi tiết và bộ phận chung cho tất cả các loại

cơ cấu Sau đây ta xét từng chi tiết cụ thể

- Trục và trụ: Là bộ phận quan trọng bảo đảm cho phần động quay

- Trục làm bằng thép cứng như thép pha osimi hay iridi, hình trụ tròn,

Trụ đỡ làm bằng đá

cứng (agat hay cacbua

rundum) Hay gọi là chân

kính Một số chân kính có

đệm lò xo để giảm xóc

(hình 2-2 c,d)

- Lò xo phản kháng:

Tạo ra mômen cản, thường

được chế tạo từ các vật liệu

có khả năng đàn hồi lớn như

Trong các cơ cấu chỉ thị có

độ nhạy cao, trục trụ và lò xo

phản kháng được thay bằng

dây căng hoặc dây treo

(h.2.4)

Dây được chế tạo bằng

vật liệu như lò xo, có thiết

diện hình chữ nhật Dây càng

mảnh độ nhạy càng cao Để

tăng độ nhạy, người ta sử

dụng dây treo để treo phần

động ở phía trên còn phía

dưới là một dây xoắn không

khác để kéo dài tia sáng ta có thể

cho tia sáng khúc xạ qua một hệ

thống gương làm tăng thêm độ nhạy

và độ chính xác của dụng cụ đo

- Thang đo: Là mặt khắc độ

Có nhiều loại thang đo khác

nhau (h.2.7) tùy thuộc vào cấp chính

xác và bản chất của cơ cấu chỉ thị

Thang đo có thể đều hay không đều tùy thuộc loại cơ cấu chỉ thị

Đối với dụng cụ có cấp chính xác từ 1; 1,5; 2; 2,5 người ta thường sử

dụng cụ đo tự ghi có kèm thang đo, sử dụng thang đo thẳng (h.2.7d) Để tranhsai số do cách đọc người ta đặt một cái gương ở bên dưới thang đo, khi đọckim và bóng của kim phải trùng nhau (h.2.7a) Dụng cụ đo mẫu, người takhắc độ theo vạch chéo trên một số đường song song (h.2.7e) Thang đo củacác dụng cụ vạn năng sẽ có nhiều đường với các đơn vị đo tương ứng(H.2.7f)

- Bộ phận cản dịu:

+ Cản dịu không khí: Có cấu

tạo như hình 2.8a, gồm một hộp kín

trong đó có một cánh lá chuyển động

gắn với trục quay kim Khi cánh lá

chuyển động di chuyển sẽ tạo nên

một hiệu áp giữa hai mặt cánh động

làm cản trở và tắt dần dao động

+ Cản dịu cảm ứng từ : Cấu tạo gồm lá nhôm mỏng gắn liền với phầnđộng của cơ cấu chỉ thị Lá nhôm di chuyển trong khe hở của một nam châmvĩnh cửu tạo nên dòng cảm ứng trong lá nhôm Do sự tác động tương hỗ giữa

21

Hình 2.8 Cản dịu

Kiểu không khí b) Kiểu cảm ứng từ

dòng điện và từ trường của nam châm tạo ra lực chống lại sự chuyển động củaphần động (h.2.8b).

2.1.2 Cơ cấu chỉ thị từ điện

a) Cấu tạo

Cơ cấu chỉ thị từ điện gồm hai phần cơ bản: Phần tĩnh và phần động(h.2.9)

Phần tĩnh của cơ cấu chỉ

thị từ điện gồm có: nam châm

vĩnh cửu 1, mạch từ 5 và cực từ

3, lõi sắt hình trụ 4 hình thành

mạch từ kín

Giữa cực từ 3 và lõi 4 có

khe hở đều, gọi là khe hở làm

việc, trong đó có khung quay

chuyển động Đường sức qua khe

hở làm việc hướng tâm tại mọi

điểm

Phần động gồm có khung quay 2 Đó là khung dây gồm cuộn dây đồng

cỡ 0,03  0, 2mm quấn trên lõi nhôm nhẹ Khung quay được gắn vào trụcquay 8 Trên trục quay còn có hai lò xo cản 9 mắc ngược nhau nhằm tạo ramômen cản đồng thời dùng làm dây dẫn điện vào khung dây, kim chỉ thị 7,đối trọng 6 và thang đo 10

b) Nguyên lý làm việc

Khi có dòng điện chạy qua khung dây, dưới tác động của từ trườngcủa nam châm vĩnh cửu, khung quay lệch khỏi vị trí ban đầu một góc d nàođấy Mômen quay tạo ra được tính theo biểu thức (2.1):

Mq =

 d

dWe

(2.5)

trong khe hở làm việc  và dòng điện chạy qua khung dây I

Tốc độ biến thiên của từ thông theo góc quay  được tính như sau:



 d

d

Trong đó: B – Độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

S – Diện tích khung dây

W – Số vòng dây của khung dây

 - Góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu

Các giá trị B, S, W là những hằng số (không đổi khi khung dây quay)Thay (2.6) và (2.7) vào (2.5) ta có:

d

d (

= d

) ( d

22

Hình 2.9 Cơ cấu chỉ thị từ điện

c) Đặc tính của cơ cấu từ điện.

- Góc lệch  tỉ lệ thuận với dòng điện I cho nên cơ cấu chỉ thị từ điệnchỉ sử dụng trong mạch một chiều

- Góc lệch  tỉ lệ bậc nhất với dòng điện I nên đặc tính của thang đođều

- Độ nhạy của cơ cấu S

- Nhược điểm: Chế tạo phức tạp, chịu quá tải kém do cuộn dây đặt ởphần động có tiết diện nhỏ, do việc dễ cháy lò xo và thay đổi đặc tính của nó;ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chính xác của phép đo

d) Ưng dụng.

- Dùng để chế tạo các loại Ampemét, Vôn mét, Ômmét nhiều thang đo,dải đo rộng

- Dùng để chế tạo các loại điện kế có độ nhạy cao, có thể đo được dòng

khung dây không có khung nhôm Điện kế còn được dùng để phát hiện sựlệch điểm không trong mạch cần đo

- Dùng làm chỉ thị trong các mạch đo các đại lượng không điện

- Dùng để chế tạo các dụng cụ đo điện tử tương tự như vônmét điện tử,tần số kế điện tử, pha kế điện tử

- Dùng với các bộ biến đổi khác như chỉnh lưu, cảm biến cặp nhiệt để

có thể đo được dòng (hay áp) xoay chiều

e) Cơ cấu chỉ thị lôgômét từ điện

Lôgômét từ điện là loại cơ cấu chỉ thị đo tỉ số hai dòng điện, dựa trên

cơ sở của chỉ thị từ điện, chỉ khác là không có lò xo cản mà thay vào đó làkhung dây thứ hai tạo ra mômen có hướng chống lại mômen quay của khungdây thứ nhất (h.2-10)

Trong khe hở của từ trường nam châm vĩnh cửu đặt phần động gồm hai

d 2

nam châm móc vòng qua

d

)(f

)(f

=ddd

d

=I

2 2

- Phần tĩnh của cơ cấu chỉ thị điện

từ là một cuộn dây phẳng 1 Bên trong

có khe hở không khí là khe hở làm việc

(h.2.11)

- Phần động là một lõi thép 2

được gắn lên trục quay 4 Lõi thép có

thể quay tự do trong khe làm việc của

cuộn dây Ngoài ra, còn có kim 5, đối

trọng 6 và lò xo 3

Ngoài loại kết cấu trên ta còn gặp

loại cơ cấu điện từ có cuộn dây tròn

Kiểu cánh tỏa tia (h.2-12a) hoặc kiểu

cánh đồng tâm (h.2-12b)

24

Hình 2.11 Cơ cấu chỉ thị

điện từ

Hình 2.12 Cơ cấu chỉ thị điện từ có cuộn dây tròn

a) Kiểu cánh tỏa tia, b) Kiểu cánh đồng tâm

Cuộn dây tròn 1, bên trong bố trí các tấm kim loại: Tấm tĩnh 2, tấmđộng 3 gắn với trục quay Ngoài ra còn có kim chỉ thị, thang đo và lò xo 4.

Sự xuất hiện từ trường trong lòng cuộn dây tĩnh sẽ từ hóa các tấm tĩnh

và động Tấm tĩnh và tấm động đẩy nhau do cùng cực tính làm phần độngquay (h.2.12)

Trong đó: L – Điện cảm của cuộn dây

Thay (2.10) vào biểu thức mômen quay ta có:

LI d d

2 2

dL

I22 1

2

1

I d

- Do đặc tính bậc hai nên thang đo không đều Để thang đo đều hơnngười ta cần phải tính toán mạch từ kích thước, hình dáng lõi động, vị trí đặtcủa cuộn dây cho phù hợp

25

- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, chịu được quá tải, có thể

đo được vừa xoay chiều, vừa một chiều

- Khuyết điểm: Công suất tiêu thụ tương đối lớn, độ chính xác khôngcao, độ nhạy thấp, bị ảnh hưởng của từ trường ngoài do từ trường của bảnthân cơ cấu yếu khi dòng nhỏ Khi đo trong mạch một chiều sẽ bị sai số dohiện tượng từ trễ, từ dư

Khi có dòng điện chạy qua cả hai cuộn thì cuộn A sinh ra mômen quay

Theo (2.11) ta có:

2 2 2 2

1

1

2

1 2

1

I d

dL

= I d

I

1

2 2 2

bình phương của hai dòng điện

Lôgômét điện từ được sử dụng để đo các đại lượng như điện trở, điệncảm, điện dung, đo tần số, góc pha và các đại lượng không điện

2.1.4 Cơ cấu chỉ thị điện động

Hình 2.13 Cơ cấu lôgômét điện từ

Hình 2.14 Cơ cấu chỉ thị điện động

Phần tĩnh gồm cuộn

dây 1 được chia làm hai phần

nối tiếp nhau để tạo ra từ

trường khi có dòng điện chạy

qua Trục quay chui qua khe

hở giữa hai phần cuộn dây

tĩnh

Phần động gồm một

khung dây 2 đặt trong lòng

cuộn dây tĩnh Khung dây 2

được gắn với trục quay.Trên

trục còn có lò xo cản bộ phận

cản dịu và kim chỉ thị

Hình dạng của cuộn dây tĩnh và khung dây động có thể tròn hoặcvuông Loại tròn dễ chế tạo, loại vuông lại thích hợp khi cần giảm thấp chiềucao của cơ cấu đo

b) Nguyên lý làm việc.

Khi cho dòng điện chạy vào cuộn tĩnh, trong lòng cuộn dây xuất hiện từtrường Từ trường này tác động lên dòng điện chạy trong khung dây và tạonên mômen quay làm phần động quay đi một góc 

Mômen quay được xác định từ biểu thức chung sau:

Mq =

 d

dWe

Ta phân biệt hai trường hợp

Lúc này năng lượng điện từ có dạng

We = 1 12 L 2 I22 M 12 I 1 I 2

2

1 I L 2

1



d

dM

= d

dM

- Khi cho dòng xoay chiều vào các cuộn dây ta có:

Mômen quay tức thời:

Phần động vì có quán tính không kịp thay đổi theo giá trị tức thời nênthực tế lấy theo trị số trung bình trong một chu kỳ.

T

o

qt dt m T

t I

I

2 1

dM

2 1

dM

2 1 12

 I I cosd

- Trong mạch xoay chiều mômen quay tỉ lệ với các giá trị hiệu dụngcủa dòng điện và cos  nên có khả năng chế tạo các Wátmét đo công suất

- Độ chính xác cao nhất là khi đo trong mạch xoay chiều vì không sửdụng vật liệu sắt từ tức là loại bỏ được sai số do dòng xoáy và bão hòa từ

- Cơ cấu chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài vì từ trường bản thân nhỏlại khép mạch qua không khí có từ trở lớn, tổn hao từ nhiều Vì thế cần cómàn chắn từ bảo vệ

khung dây 2 nữa gắn chặt với

khung dây 1 chéo nhau một góc

 (hình 2.15)

Khi có dòng điện I chạy

chạy vào hai cuộn động B thì ở

cuộn động B1 sinh ra mômen quay

dMAB1

Mc = II2 cos (I,I2) cos

 d

dMAB1

= II2 cos (I,I2)cos

 d

dMAB2

.Người ta cố gắng điều chỉnh vị trí các cuộn dây và chế tạo chúng giốngnhau sao cho:

 d

dMAB1

=

 d

dMAB2

thì lúc đó ta có:

) (

= ) cos(

cos

= ) I , I cos(

I

) I , I cos(

1 1

) , cos(

2 2

1 1

I I I

I I I

(2.21)

với lôgômét từ điện

Như vậy  tỉ lệ với tỉ số hai dòng điện và góc lệch pha do vậy cơ cấuđược dùng để chế tạo các dụng cụ đo các đại lượng thụ động như pha kế, tần

số kế, điện dung kế v.v trong đó sự biến động của nguồn cung cấp khôngảnh hưởng đến kết quả đo

g) Cơ cấu chỉ thị sắt điện động.

Để khắc phục nhược điểm của cơ cấu điện động như từ trường bản thânyếu, mômen quay nhỏ và chịu ảnh hưởng của từ trường ngoài người ta chothêm mạch từ ở cuộn dây tĩnh, gọi là cơ cấu chỉ thị sắt điện động (h.2.16)

Trong đó cuộn dây tĩnh 1,

mạch từ 3 để tạo ra từ trường

trong khe hở làm việc, khung

quay 2 gắn với trục quay kim chỉ

thị, lò xo phản và bộ phận cản

dịu

Nguyên lý làm việc của cơ

cấu đo này tương tự như cơ cấu

29

Hình 2.16 Cơ cấu chỉ thị sắt điện động

đo điện động Nhờ có lõi thép, cơ

cấu này có độ nhạy cao, ít chịu

ảnh hưởng của từ trường ngoài,

2.1.5 Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện

a) Cơ cấu và nguyên lý làm việc.

Cơ cấu tĩnh điện dựa trên sự tác

động lẫn nhau giữa hai hay nhiều vật

thể tích điện ít nhất một trong các vật

thể đó là phần động và sự chuyển dịch

của nó gây nên sự thay đổi năng

lượng điện trường tạo bởi các vật thể

tích điện ấy

Hình 2.17 Là hai loại thông

dụng nhất của cơ cấu chỉ thị tĩnh điện

Hình 2.17a là loại thứnhất, loại này có hai bản cực tĩnh 1 ở

giữa hai bản cực ấy là bản cực động 2

được nối với một cực tĩnh bên trái

Điện áp cần đo được đưa vào hai cực tĩnh (tức là cực tĩnh trái và cựcđộng là một cực, còn cực thứ hai là cực tĩnh bên phải)

Nhờ vậy mà bản cực động đẩy cực tĩnh trái và hút về phía cực tĩnh phải

vì vậy mà điện dung của hệ thống thay đổi

Bản cực động được gắn với kim làm kim quay trên trục quay

Ở cơ cấu thứ hai (H.2.17b) điện dung thay đổi do thay đổi bề mặt củacác điện cực (các bản cực) của một hệ thống tụ điện Phần tĩnh là các bản cực

1 còn phần động là các bản cực 2 được gắn vào trục quay Trên trục có kimchỉ thị và lò xo phản kháng

Khi đặt vào hai bản cực tĩnh và động một điện áp U, giữa chúng sinh ramột điện trường Năng lượng điện trường đó được tính bởi công thức sau:

2

2

U

C - Điện dung giữa các điện cực

Lực tĩnh điện tác động tương hỗ lên các điện cực tích điện tạo ramômen quay tác động lên điện cực động làm quay (hoặc di chuyển) các điệncực động ở bên trong các điện cực tĩnh Kết quả là điện tích giữa các bản cựcthay đổi, tức là thay đổi điện dung C

30

Hình 2.17 Cơ cấu chỉ thị tĩnh điện

b)

2

2 1

Điện cực động sẽ quay cho đến khi mômen quay bằng mômen cản

 d

dC

U22

1

 d

dC U D

- Góc lệch  tỉ lệ với bình phương của điện áp U

Cực của điện áp không làm thay đổi hướng của mômen quay vì thế cóthể sử dụng để đo điện áp vừa một chiều vừa xoay chiều

- Đặc tính của thang đo không đều

- Ưu điểm: Điện trở vào lớn, điện dung vào thay đổi nhưng nhỏ, côngsuất tiêu thụ nhỏ, độ chính xác cao có khả năng sử dụng cả trong mạch mộtchiều lần xoay chiều, dải tần rộng

- Nhược điểm: Độ nhạy thấp do điện trường yếu, có khả năng đánhthủng giữa các điện cực gây ngắn mạch vì thể cần phải có màn bảo vệ

Phần động là một đĩa nhôm 1 gắn vào trục quay 4 Để chỉ thị số vòngquay của đĩa người ta gắn vào trục cơ cấu chỉ thị số cơ khí 5

31

Hình 2.18 Cơ cấu chỉ thị cảm ứng

b) Nguyên lý làm việc.

(h.2.19)

2



Nếu 1t = 1m sint và ix1 = Ix1m sin (t-  )

o

T dt M

1 1

Bây giờ ta hãy xét các mômen thành phần như sau:

Tương tự như (2.24) ta có thể viết các mômen thành phần là:

mômen tổng sẽ kéo đĩa quay về một phía duy nhất (kết hợp với hình vẽ2.18b)

thuần) thì các dòng xoáy sinh ra sẽ tỉ lệ với tần số f và từ thông sinh ra nó

Từ biểu thức (2.26) ta suy ra đặc tính của cơ cấu:

- Điều kiện để có mômen quay là ít nhất phải có hai từ trường

- Mômen quay phụ thuộc tần số của dòng điện tạo ra hai từ trường, do

đó cần phải ổn định tần số khi sử dụng

- Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chỉ làm việc trong mạch xoay chiều mà thôi

- Cơ cấu chỉ thị cảm ứng chủ yếu sử dụng chế tạo công tơ đo nănglượng Đôi khi còn sử dụng để đo tần số và chế tạo các khí cụ điện khác

Bảng 2.1 Bảng tổng kết các loại cơ cấu chỉ thị cơ điện

33

4 Lôgômét điện từ (I1/I2)2 Tần số kế, ôm kế, đo góc pha

6 Cơ cấu chỉ thị sắt điện

động

I1I2 A.V. tự ghi

2.2 Cơ cấu chỉ thị tự ghi.

2.2.1 Cơ sở chung.

Cơ cấu chỉ thị tự ghi được sử dụng trong các dụng cụ tự động ghi nhằmmục đích ghi lại những tín hiệu đo thay đổi theo thời gian

Các chỉ thị cơ điện được dùng cho dụng cụ tự ghi phải có mômen quay

đủ lớn để thắng được lực ma sát do bút ghi tì lên giấy Đầu vào thường làdòng điện biến thiên theo thời gian i (t) còn đầu ra là đường quan hệ (t)

Đường ghi lên băng giấy là sự phối hợp giữa hai chuyển động y =  =f(i) (tức là góc lệch  là hàm của dòng điện tức thời i) và x = Kt

Theo cách ghi có thể phân loại cơ cấu tự ghi làm ba loại: Loại thứ nhất

là ghi các đường cong liên tục, loại thứ hai là ghi các đường cong rời rạc, loạithứ ba là in số lên băng giấy

Theo tốc độ ghi có thể phân ra làm ba loại: Loại có tốc độ thấp, tốc độcao và tốc độ rất cao

2.2.2 Cơ cấu chỉ thị tự ghi tốc độ thấp.

Khi tín hiệu cần đo có tần số thấp (dưới 10Hz) thường người ta sử dụngcác loại chỉ thị tự ghi có tốc độ thấp Đó là các loại bút ghi vạch lên băng giấychuyển động với tốc độ đều

Hình 2.20 là một ví dụ về cơ cấu tự ghi sử dụng chỉ thị sắt điện động.Trong đó gồm mạch từ 1 với cuộn dây 4, lõi từ bên trong 2, khung dâyđộng 3, kim 5 (có gắn bút ghi) ghi lên băng giấy 7 quả rulô 9, bộ giảm tốc 8,

cơ cấu đồng hồ 6 (thường là động cơ đồng bộ)

Để chuyển dịch băng giấy thường người ta đục lỗ, khoảng cách giữacác lỗ thường là 5mm, lỗ sẽ ăn khớp với các răng ở trên rulô

34

Hình 2.20 Cơ cấu chỉ thị tự ghi sử dụng chỉ thị sắt điện động